DE60035045T2

DE60035045T2 - Linearmotor

Info

Publication number: DE60035045T2
Application number: DE60035045T
Authority: DE
Inventors: Gerald David Mt Eden DUNCAN; John Henry Holland BOYD
Original assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Current assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: KR20050089891A; JP2003503001A; HK1042170A1; US20040189103A1; KR20020013930A; US6815847B2; KR100543950B1; US6864647B2; ATE363763T1; WO2000079671A8; AU5718100A; DE60035045D1; EP1487091B1; MXPA01013027A; WO2000079671A1; EP1487091A2; MY123693A; EP1188221B1; BR0011833A; JP3962254B2

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf einen kompakten Linearmotor, der Freikolbenkompressoren (auch als schwingende und lineare Kompressoren bezeichnet) für Dampfkompressionssysteme enthält, und insbesondere auf ein Steuersystem zum Verhindern eines Versagens oder einer Beschädigung aufgrund unerwünschter Änderungen des Kompressionsgrades, hervorgerufen durch Änderungen der Umgebungstemperatur oder der Betriebsbedingungen.
Stand der Technik
Kompressoren, wie z. B. Kühlschrankkompressoren, werden herkömmlicherweise mittels rotierender Elektromotoren angetrieben. Selbst in ihrer effizientesten Form ergeben sich jedoch signifikante Verluste, die dem Kurbelsystem zuzuordnen sind, das die Drehbewegung in eine lineare Hubbewegung umsetzt. Alternativ kann ein rotierender Kompressor verwendet werden, der keine Kurbel erfordert, doch ergeben sich wiederum hohe Zentripetalbelastungen, was zu signifikanten Reibungsverlusten führt. Ein Linearkompressor, der mittels eines Linearmotors angetrieben wird, würde diese Verluste nicht aufweisen und kann mit einer Lagerbelastung gestaltet werden, die niedrig genug ist, um die Verwendung aerostatischer Gaslager zu erlauben, wie im US-Patent 5.525.845 offenbart ist.
Lineare Hubmotoren beseitigen die Notwendigkeit von Kurbelmechanismen, welche Kompressoren kennzeichnen, die mittels rotierender Elektromotoren angetrieben werden und hohe Seitenkräfte erzeugen, was eine Ölschmierung erfordert. Ein solcher Motor ist beschrieben in US 4.602.174 . Das US-Patent 4.602.174 offenbart einen Linearmotorentwurf, der hinsichtlich sowohl der hin und her bewegten Masse als auch der elektrischen Effizienz äußerst effizient ist. Dieser Entwurf wurde sehr erfolgreich in Motoren und Wechselstromgeneratoren verwendet, die den Stirling-Zyklus nutzen. Er wurde ferner als Motor für Linearkompressoren verwendet. Im Fall der Kompressoren, die für Haushaltskühlschränke entworfen sind, ist jedoch der Entwurf in US 4.602.174 etwas größer und teurer, als für diesen Markt wünschenswert ist.
Der Kolben eines Freikolbenkompressors oszilliert in Verbindung mit einer Feder als ein Resonanzsystem, wobei keine inhärenten Einschränkungen für die Amplitude der Schwingung besteht, mit Ausnahme einer Kollision mit einem stationären Teil, typischerweise dem Teil einer Zylinderkopfanordnung. Der Kolben wird eine mittlere Position und Amplitude einnehmen, die von Gaskräften und der zugeführten elektrischen Leistung abhängen. Für irgendeine gegebene elektrische Eingangsleistung nimmt die Amplitude der Schwingung zu, bis eine Kollision auftritt, wenn entweder der Verdampfungs- oder der Kondensationsdruck abnehmen. Es ist daher notwendig, die Leistung als Funktion dieser Drücke zu beschränken.
Für eine maximale Effizienz ist es wünschenswert, Freikolben-Kühlschrankkompressoren bei der Eigenfrequenz des mechanischen Systems zu betreiben. Diese Frequenz wird bestimmt durch die Federkonstante und die Masse des mechanischen Systems, sowie durch den Elastizitätskoeffizienten des Gases. Im Fall eines Kühlschranks nimmt der Elastizitätskoeffizient des Gases sowohl mit den Verdampfungs- als auch den Kondensationsdrücken zu. Folglich steigt die Eigenfrequenz ebenfalls an. Daher muss für den besten Betrieb die Frequenz des elektrischen Systems, das den Kompressor antreibt, variieren, um zur Frequenz des Mechaniksystems zu passen, wenn diese mit den Betriebsbedingungen variiert.
Verfahren zum Synchronisieren der elektrischen Spannung, die an den Kompressormotorwicklungen anliegt, mit der Frequenz des Mechaniksystems sind wohlbekannt. Für einen Permanentmagnetmotor, der in einem Freikolbenkompressor verwendet wird, wird eine elektromotorische Gegenkraft (Gegen-EMK) in den Motorwicklungen proportional zur Kolbengeschwindigkeit induziert, wie in 8a gezeigt ist. Die Äquivalenzschaltung des Motors ist in 8b gezeigt. Eine Wechselspannung (V) wird synchron mit der wechselnden EMK (αυ) angelegt, um den Kompressor anzutreiben. US 4.320.448 (Okuda u. a.) offenbart ein Verfahren, mit dem der Zeitablauf der angelegten Spannung bestimmt wird, indem die Nulldurchgänge der Motor-Gegen-EMK erfasst werden. Das Anlegen der Spannung an die Motorwicklung wird so gesteuert, dass zu dem Zeitpunkt, zu dem die EMK den Nullpegel schneidet, der Strom gleich 0 ist, um die Erfassung des Gegen-EMK-Nulldurchgangs zu erlauben.
Es wurden verschiedene Verfahren verwendet, um die Schwingungsamplitude zu beschränken, einschließlich einer sekundären Gasfeder, einer Kolbenpositionserfassung, einer Kolbenpositionsberechnung auf der Grundlage von Strom und angelegter Spannung ( US 5.496.153 ), Messung der Umgebungs- und/oder Verdampfungstemperatur ( US 4.179.899 , US 4.283.920 ). Jedes dieser Verfahren erfordert Kosten für zusätzliche Sensoren oder weist eine bestimmte Leistungsbeschränkung auf.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten Linearmotor zu schaffen, der die obenerwähnten Nachteile in gewisser Weise beseitigt, oder der wenigstens der Öffentlichkeit eine brauchbare Wahl lässt.
Die vorliegende Erfindung schafft einen elektrischen Linearmotor nach Anspruch 1, sowie die Verwendung eines elektrischen Linearmotors gemäß Anspruch 4.
Die "Verdampfungstemperatur des in dem Kompressor eintretenden Dampfes" wird auch in dieser Beschreibung als “Verdampfertemperatur" bezeichnet. In ähnlicher Weise wird auch die "Resonanzfrequenz" als "Eigenfrequenz" bezeichnet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines Linearkompressors gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Querschnittsansicht des Doppelspulen-Linearmotors der vorliegenden Erfindung in Isolation;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Einzelspulen-Linearmotors;
4 ist ein Vergleich zwischen einem Einzelfenster-Linearmotor des Standes der Technik und einem Kurzstator-Linearmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Darstellung der Flusslinien aufgrund des Spulenstroms in einem Einzelspulen-Linearmotor der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Graph der Motorkonstanten über der Magnetposition für die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Querschnittsansicht eines Einzelspulen-Linearmotors mit teilweise abgewinkelten Polflächen;
8a (nicht Teil der Erfindung) zeigt eine Motorkolbenverschiebung und die Gegen-EMK-Wellenformen für einen Freikolbenkompressormotor;
8b zeigt eine Äquivalenzschaltung für einen solchen Motor;
9 zeigt einen Inverter zum elektronischen Kommutieren eines Einzelphasen-Freikolbenmotors;
10 (nicht Teil der Erfindung) zeigt Graphen des maximalen Motorstroms als Funktion der Frequenz und der Verdampfungstemperatur für einen Motor der vorliegenden Erfindung;
11 ist ein Blockdiagramm der Motorsteuerschaltung;
12 (nicht Teil der Erfindung) ist ein Graph des effektiven Motorstroms über der Motorwicklungsstrom-Abklingzeit;
13 (nicht Teil der Erfindung) ist ein Flussdiagramm des Motorsteuerung-Zeitablaufprogramms;
14 (nicht Teil der Erfindung) ist ein Flussdiagramm der Kommutationszeitbestimmung unter Verwendung von Verdampfungsdruck und Hubzeitdaten; und
15 (nicht Teil der Erfindung) zeigt eine Motorkolbenverschiebung und Motorstromwellenformen.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Steuern eines Linearmotors mit mehreren Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik. Erstens weist er eine reduzierte Größe im Vergleich zum herkömmlichen Linearmotor des in US 4602174 beschriebenen Typs auf, wodurch die Kosten reduziert sind.
Diese Änderung hält die Effizienz bei niedrigen bis mittleren Ausgangsleistungen hoch, auf Kosten einer leicht reduzierten Effizienz bei hoher Ausgangsleistung. Dies ist ein annehmbarer Kompromiss für einen Kompressor in einem Haushaltskühlschrank, der einen Großteil der Zeit mit geringer bis mittlerer Ausgangsleistung läuft und zu weniger als 20 % der Zeit mit hoher Ausgangsleistung läuft (dies tritt während Perioden der häufigen Beladung und Entnahme der Kühlschrankinhalte oder an sehr heißen Tagen auf). Zweitens verwendet es eine Steuerstrategie, die einen optimalen effizienten Betrieb erlaubt, während die Notwendigkeit externer Sensoren beseitigt wird, was ebenfalls Größe und Kosten reduziert.
Obwohl in der folgenden Beschreibung die vorliegende Erfindung mit Bezug auf einen zylindrischen Linearmotor beschrieben wird, ist klar, dass dieses Verfahren gleichermaßen auf Linearmotoren im Allgemeinen und insbesondere auch auf flache Linearmotoren anwendbar ist. Fachleute können ohne besonderen Aufwand die hier beschriebene Steuerstrategie auf eine beliebige Form von Linearmotor anwenden. Ferner ist klar, dass die vorliegende Erfindung auf eine beliebige Form von Kompressor anwendbar ist. Obwohl sie mit Bezug auf einen Freikolbenkompressor beschrieben wird, kann sie gleichermaßen in einem Membrankompressor verwendet werden.
Eine praktische Ausführungsform der Erfindung, die in 1 gezeigt ist, verwendet einen Permanentmagnet-Linearmotor, der mit einem Freikolbenhubkompressor verbunden ist. Der Zylinder 9 ist durch eine Zylinderfeder 14 innerhalb der Kompressorhülse 30 unterstützt. Der Kolben 11 ist durch das Lager radial unterstützt, das von der Zylinderbohrung und dessen Feder 13 über den Federhalter 25 gebildet wird.
Die Hubbewegung des Kolbens 11 innerhalb des Zylinders 9 zieht Gas durch ein Ansaugrohr 12, durch eine Ansaugöffnung 26, durch einen Ansaugschalldämpfer 20 und durch eine Ansaugventilöffnung 24 in einer Ventilplatte 21 in einen Kompressionsraum 28. Das komprimierte Gas entweicht anschließend durch eine Auslassventilöffnung 23, wird in einem Auslassschalldämpfer 19 gedämpft und tritt durch ein Auslassrohr 18 aus.
Der Kompressormotor umfasst einen zweiteiligen Stator 5, 6 und einen Anker 22. Die Kraft, die die Hubbewegung des Kolbens 11 erzeugt, entstammt der Wechselwirkung von zwei ringförmigen, radial magnetisierten Permanentmagneten 3, 4 im Anker 22 (am Kolben 11 mittels eines Flansches 7 befestigt) und dem Magnetfeld in einem Luftspalt 33 (vom Stator 6 und den Spulen 1, 2 induziert).
Eine 2-Spulen-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 1 gezeigt ist und in 2 in Isolation gezeigt ist, weist einen in Spule 1 fließenden Strom auf, der einen Fluss erzeugt, der axial längs dem Inneren des Stators 6 fließt, radial nach außen durch den Endstatorzahn 32 über den Luftspalt 33 und anschließend in das Eisenjoch 5 eintritt. Anschließend fließt er über eine kurze Strecke 27 axial, bevor er radial nach innen über den Luftspalt 33 und zurück in den Zentralzahn 34 des Stators 6 fließt. Die zweite Spule 2 erzeugt einen Fluss, der radial durch den Zentralzahn 34 über den Luftspalt axial über eine kurze Strecke 29 und nach außen über den Luftspalt 33 in den Endzahn 35 fließt. Der Fluss, der vom Zahn 32 ausgehend den Luftspalt 33 quert, induziert eine axiale Kraft auf die radial magnetisierten Magneten 3, 4, vorausgesetzt, die Magnetisierung des Magneten 3 weist eine entgegengesetzte Polarität bezüglich dem anderen Magneten 4. Es wird angenommen, dass anstelle des Eisenjochs 5 es gleichermaßen möglich wäre, einen weiteren Satz von Spulen auf den gegenüberliegenden Seiten der Magneten vorzusehen.
Ein oszillierender Strom in den Spulen 1 und 2, nicht unbedingt sinusförmig, erzeugt eine oszillierende Kraft an den Magneten 3, 4, die dem Magneten und dem Stator eine im Wesentlichen relative Bewegung verleiht, vorausgesetzt, die Schwingungsfrequenz liegt nahe bei der Eigenfrequenz des mechanischen Systems. Die Eigenfrequenz wird durch die Härte der Federn 13, 14 und die Masse des Zylinders 9 und des Stators 6 bestimmt. Die oszillierende Kraft an den Magneten 3, 4 erzeugt eine Reaktionskraft an den Statorteilen. Somit muss der Stator 6 starr am Zylinder 9 mittels Klebstoff, Schrumpfpassung oder Klemmung und dergleichen angebracht sein. Das Eisenjoch ist am Statorhalter 17 festgeklemmt oder verklebt. Der Statorhalter 17 ist starr mit dem Zylinder 9 verbunden.
In einer Einzelspulen-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 3 gezeigt ist, erzeugt der Strom in der Spule 109 einen Fluss, der axial längs des Inneren des inneren Stators 110, radial nach außen durch einen Zahn 111, über den Magnetspalt 112 fließt und anschließend in das Eisenjoch 115 eintritt. Anschließend fließt er über eine kurze Strecke axial, bevor er radial nach innen über den Magnetspalt 112 und zurück zum äußeren Zahn 116 fließt. In diesem Motor weist der gesamte Magnet 122 in seiner radialen Magnetisierung die gleiche Polarität auf.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die Länge der Anker-(Zahn)-Flächen nur bis z. B. 67 % des maximalen Hubes des Magneten (wo die Kante des Magneten sich bis zu einer maximalen Ausgangsleistung erstreckt). Dies ist in 4 gezeigt, wo ein herkömmlicher Linearmotor des Standes der Technik mit dem Variable-Konstante-Entwurf der äquivalenten Ausgangsleistung der vorliegenden Erfindung verglichen wird, beide bei maximalem Hub. Es wird deutlich, dass die Außenkante 200 des Statorzahns sich nicht soweit erstreckt wie das äußere Ende des Magneten 201. In ähnlicher Weise erstreckt sich die Innenkante 203 des äußeren Statorzahns nicht bis zum inneren Ende des Magneten 204. Im Gegensatz hierzu fällt beim Entwurf des Standes der Technik die Kante des Magneten 205 mit den Kanten der Statorzähne 206, 207 bei maximalem Hub zusammen.
Bei Hüben kleiner als z. B. 60 % befindet sich in der vorliegenden Erfindung der Magnet 7 in einem Bereich einer gleichmäßigen Flussdichte, wie durch den Bereich "a" bis "b" in 5 gezeigt ist, was grob dem entspricht, bis zu dem sich die Statorzähne 71 erstrecken. Wenn der Hub über 60 % ansteigt, nimmt die von der Magnetkante 70 erfahrene Flussdichte ab, wenn sie in den Randabschnitt (ungleichmäßige Flussdichte) des Luftspaltmagnetfeldes – den Bereich außerhalb von "b" in 5 – eintritt.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, ist ein Stator für einen Linearmotor mit abgewinkelter Polfläche 503 gezeigt. Die Polfläche 503 weist in ihrer Mitte einen flachen Abschnitt 500 auf, der zu einem Luftspalt führt, der dem Abschnitt mit im wesentlichen gleichmäßiger Flussdichte zugewandt ist. Das Ende der Polfläche 503 ist abgewinkelt, um einen progressiveren Übergang von der gleichmäßigen Flussdichte des Zentrums 500 zum Randabschnitt 502 (ungleichmäßige Flussdichte) am Ende der Polfläche 503 zu erhalten. Ähnlich den vorangehenden Ausführungsformen würde der Ankermagnet 504 aus dem Bereich der gleichmäßigen Flussdichte 500 in den Randabschnitt 502 der ungleichmäßigen Flussdichte getrieben.
Die "Motorkonstante" ist definiert als die Kraft (in Newton), die von einem Ampere in den Motorwicklungen am Magneten erzeugt wird. Die Motorkonstantenkurve, die in 6 gezeigt ist, zeigt, wie sich die Motorkonstante 300 für die vorliegende Erfindung mit der Magnetposition ändert. Die "Motorkonstante" kann gleichermaßen als Gegen-EMK (in Volt) definiert sein, die erzeugt wird, wenn sich der Magnet mit 1 m/s bewegt. Wenn sich der Magnet im Randbereichsfeld (außerhalb von "b" in 5) befindet, ist aufgrund der reduzierten magnetischen Kopplung mehr Strom erforderlich, um eine gegebene Kraft zu erzeugen, im Vergleich zu demjenigen im gleichmäßigen Flussbereich (von "a" bis "b" in 5). Dies führt zu der "veränderlichen" Motorkonstantenkurve 300, die dem Kurzstatorlinearmotor der vorliegenden Erfindung, wie in 6 gezeigt, zugeordnet ist. Dies steht im Gegensatz zu der "konstanten" Motorkonstantenkurve 301, wie ebenfalls in 6 gezeigt ist, die herkömmlichen Linearmotoren des Standes der Technik eigen ist.
Mit der in 6 gezeigten Motorkonstantenkurve 300 ist bei niedrigen und mittleren Hüben (entsprechend den Hüben von –3 mm bis +3 mm) offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung eine hohe Motorkonstante relativ zu einem äquivalenten herkömmlichen Motor 301 (mit weniger Windungen und einem größeren Volumen des Kernmaterials) aufweist. Eine höhere Motorkonstante entspricht einem effizienteren Betrieb (aufgrund geringerer Inverterverluste), weshalb bei niedriger Ausgangsleistung die vorliegende Erfindung effizienter ist als ein äquivalenter herkömmlicher Linearmotor des Standes der Technik. Dies reduziert ferner die benötige Querschnittsfläche des Kerns.
Bei großen Hüben ist die Motorkonstante zu dem Zeitpunkten niedrig, zu denen der Strom am schnellsten zunimmt. Dies ermöglicht, einen stärkeren Strom in den Motor zu bringen und somit dem Motor bei maximalen Hüben mehr Leistung zu entnehmen, im Vergleich zu einem äquivalenten herkömmlichen Linearmotor des Standes der Technik. Ferner tendiert ein solcher Entwurf mit einer veränderlichen Konstante, die bei maximalem Hub am niedrigsten ist, dazu, Motoren, die mit Rechteckwellenspannungen angesteuert werden, effizienter zu machen.
Steuerstrategie
Experimente haben gezeigt, dass ein Freikolbenkompressor am effizientesten ist, wenn er bei der Eigenfrequenz des Kompressor-Kolbenfeder-Systems angetrieben wird. Ebenso wie irgendeine absichtlich vorgesehene Metallfeder ist jedoch eine inhärente Gasfeder vorhanden, deren effektive Federkonstante im Fall eines Kühlschrankkompressors variiert, wenn entweder der Verdampfer- oder der Kondensatordruck variieren. Der elektronisch kommutierte Permanentmagnetmotor, der bereits beschrieben worden ist, wird unter Verwendung von Techniken gesteuert, die diejenigen einschließen, die aus der Erfahrung des Anmelders bei elektronisch kommutier ten Permanentmagnetmotoren abgeleitet werden, wie z. B. in US 4857814 und WO 98/35428 offenbart ist, deren Inhalte hiermit durch Literaturhinweis eingefügt sind. Diese Literaturhinweise offenbaren die Steuerung eines dreiphasigen rotierenden Motors, jedoch können die gleichen Steuerprinzipien auch auf Linearmotoren angewendet werden. Ein geeigneter Linearmotor muss nur eine Einzelphasenvorrichtung sein, wobei eine geeignete Inverterbrückenschaltung zum Ansteuern eines Motors eine einfache Form aufweisen kann, wie in 9 gezeigt ist.
Durch Überwachen von Gegen-EMK-Nulldurchgängen im Motorwicklungsstrom kann die Kommutation so bestimmt werden, dass sie der Eigenfrequenz des Kolbens folgt. Da nur eine einzige Wicklung vorhanden ist, muss der Strom, der durch entweder die oberen oder unteren Inverterschaltvorrichtungen 411 oder 412 fließt, unterbrochen werden, so dass die Gegen-EMK gemessen werden kann. Das Steuern der Stroms durch die Motorwicklung entsprechend der erfassten Gegen-EMK stellt sicher, dass der Strom und die Gegen-EMK für eine maximale Systemeffizienz in Phase gehalten werden.
Die Betriebsfrequenz des Motors wird effektiv kontinuierlich überwacht, da die Frequenz das doppelte des Kehrwertes der Zeitspanne zwischen den Gegen-EMK-Nulldurchgängen ist. Ferner ist gemäß WO 98/35428 die Stromabklingzeit durch die Freilaufdioden 413 und 414 nach Beenden der Kommutation direkt proportional zum Motorstrom, womit ein Maß für den Motorstrom verfügbar ist.
Der maximale Motorstrom, der verwendet werden kann, bevor der Kolben mit dem Zylinderkopf des Kompressors kollidiert, variiert in Abhängigkeit von der Verdampfertemperatur und der Eigenfrequenz des schwingenden Systems.
10 zeigt Graphen des maximal zulässigen Motorstroms über der Mechaniksystem-Eigenfrequenz und den Kondensatortemperaturen für unterschiedliche Verdampfertemperaturen. Diese zeigen die Abhängigkeit des maximalen Motorstroms von diesen beiden Variablen. Sie zeigen ferner, dass Kondensatortemperaturen proportional zur mechanischen Systemfrequenz sind und somit die Maximalstromsteuerung erreicht werden kann, ohne die Notwendigkeit zur Messung der dritten Variable, nämlich der Kondensator temperatur.
Die Motorsteuerschaltung, die für die Verwendung mit dieser Erfindung geeignet ist, ist in 11 gezeigt. Sie nutzt die Beobachtung, das die mechanische Systemfrequenz auf die Kondensatortemperatur Bezug nimmt. In dieser Steuermotorschaltung wird das in den Motorwicklungen 1 induzierte Gegen-EMK-Signal erfasst und von der Schaltung 402 digitalisiert und an den Eingang eines Mikrocomputers 403 angelegt, der den geeigneten Zeitablauf für die Kommutation des Stroms an den Motorwicklungen berechnet, um sicherzustellen, dass der Strom mit der Gegen-EMK in Phase ist. Diese Kommutationszeitablaufsignale schalten einen Inverter 404 (wie in 11 gezeigt ist), der einen Strom an die Motorwicklungen 401 liefert. Der Mikrocomputer 403 misst ferner die Zeitspanne zwischen den Gegen-EMK-Nulldurchgängen und somit die Periode der EMK-Wellenform. Die Eigenschwingungsfrequenz des mechanischen Systems ist der Kehrwert der Periode der EMK-Wellenform. Der Mikrocomputer 403 besitzt somit immer ein Maß für diese Frequenz.
Es wird der herkömmliche Temperatursensor 405 zum Messen der Verdampfertemperatur für Abtauzwecke verwendet, wobei dessen Ausgang digitalisiert wird und als weitere Eingabe in den Mikrocomputer 403 zugeführt wird.
Ein Verfahren zum Begrenzen des maximalen Motorstroms und somit der maximalen Verschiebung des Kolbens besteht darin, dass der Mikrocomputer 403 eine maximale Stromamplitude für jeden Halbzyklus der Kolbenschwingung berechnet und die wirkliche Stromamplitude auf weniger als das Maximum begrenzt. WO 98/35428 offenbart ein Verfahren zur Messung des Motorstroms in einem elektronisch kommutierten Permanentmotor unter Verwendung des digitalisierten Gegen-EMK-Signals in einer nicht angesteuerten Wicklung, um die Zeitspanne zu messen, die der Strom in der Motorwicklung zum Abklingen auf Null benötigt. Die Verwendung dieser Technik in der vorliegenden Erfindung ermöglicht dem Mikrocomputer 403, die maximale Leistung zu begrenzen, ohne die Notwendigkeit einer dedizierten Stromerfassungs- oder Begrenzungsschaltung. Der effektive Motorstrom ist direkt proportional zu der Zeitdauer des Abklingens des Strom durch die "Freilauf"-Dioden 413 oder 414 nach Abschalten der zugehörigen Inverterschaltvorrich tung. Die Stromabklingzeit resultiert selbstverständlich aus der Motorwicklung, die eine Induktivität ist, die während der Kommutation Energie gespeichert hat, welche nach Ende der Kommutation abgebaut werden muss. Ein Graph des effektiven Motorstroms über der Stromabklingdauer (was eine Vereinfachung der 6 in WO 98/35428 ist) ist in 12 gezeigt.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren besteht darin, die Zeitspanne zu begrenzen, in der der Strom kommutiert wird, statt den maximalen Stromwert zu begrenzen. 15 zeigt die Stromwellenform unter einer solchen Steuerung. Dies ist eigentlich eine Pulsbreitenmodulation (PBM) mit nur einem modulierten Stromimpuls pro Kommutationsintervall. Mit diesem Verfahren wird eine Verzögerungszeit vom Gegen-EMK-Nulldurchgang berechnet, um den Phasenwinkel zwischen dem Motorstrom und der Gegen-EMK für eine maximale Effizienz zu minimieren. Der Inverterschalter, der Strom zuführt, wird zu einem Zeitpunkt im Motorhalbzyklus abgeschaltet, um nach einer Stromabklingperiode eine Zeitspanne zum Überwachen des Nulldurchgangs der Gegen-EMK zu erlauben, um den Start der Kommutation für den nächsten Halbzyklus zu bestimmen. Die Kommutationszeit wird ferner mit einer maximalen Kommutationszeit verglichen, die für die Motorfrequenz und die Verdampfertemperatur geeignet ist, um sicherzustellen, dass eine maximale Amplitude des Kolbenhubes nicht überschritten wird.
Ein Flussdiagramm der Mikrocomputer-Steuerstrategie zum Implementieren dieses Verfahrens ist in den 13 und 14 gezeigt. Wie in 13 gezeigt ist, läuft der Kompressor mit einer minimalen Frequenz, wenn der Kompressor anfangs angetrieben wird (421), oder nach einer ausreichenden Verzögerung angetrieben wird, um sicherzustellen, dass die Drücke im Kühlsystem ausgeglichen sind. Die Hubperiode dieser minimalen Frequenz wird als Run_Stroke gemessen und im Mikrocomputer als Low_Stroke gezeigt, wobei eine minimale Kommutationszeit für diesen Wert gesetzt wird (428). Für jeden nachfolgenden Hub wird die Hubperiode gemessen und als Parameter Run_Stroke definiert (424). Die Differenz zwischen Run_Stroke und Low_Stroke wird berechnet (431, 14). Diese Differenz wird mit Period_Index bezeichnet. Die Period_Index wird in dieser Unterroutine als Indexzeiger in eine Nachschlagtabelle der maximalen Kommutationszeiten für unterschiedliche Hubdauern (Frequenzen) verwendet. Diese Tabelle wird als Puls_Limit_Value-Tabelle bezeichnet. In diesem Beispiel gibt es sieben Nachschlagtabellen (433 bis 439) entsprechend sieben Bereichen der Verdampfungstemperatur (440 bis 465).
Die Motorsteuerschaltung ist typischerweise in einer Temperaturregelschleife in herkömmlicher Weise enthalten, um die Temperatur des umschlossenen Kühlraumes des Kühlsystems aufrecht zu erhalten. Diese Regelschleife stellt gewünschte Werte für die Leistung ein, die an die Motorwicklungen anzulegen sind, in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Kühlsystems. Diese Werte gewünschter Leistung entsprechen den Werten der Kommutationszeit. Diese Werte der Kommutationszeit werden hubweise mit Puls_Limit_Value verglichen (440, 14). Wenn der Sollwert der Kommutationszeit größer ist als Puls_Limit_Value, wird die Kommutationszeit auf Puls_Limit_Value begrenzt. Dieser Wert setzt den Kommutationszeitgeber (425), der die EIN-Periode der entsprechenden Inverterschaltvorrichtung steuert. Wie vorher erläutert worden ist, kann der Motorstrom auch in ähnlicher Weise verwendet werden, um die an den Motor angelegte Leistung auf sichere Pegel zu begrenzen, jedoch ist es selbst dann, wenn die Kommutationszeit gesteuert wird, wünschenswert, den Motorstrom in der vorher beschriebenen Weise zu messen und diesen mit einem gespeicherten absoluten Maximalwert (426) zu vergleichen, der bei Überschreitung bewirkt, dass das Mikrocomputerprogramm zurückgesetzt wird (427).
Selbstverständlich sind andere Verfahren zur Bestimmung der maximalen Kommutationszeit und/oder des maximalen Stromwertes denkbar, z. B. wenn der Mikrocomputer ausreichend leistungsfähig ist, können Z. B. entsprechend der neuesten Fortschritte in der DSP-Chip-Technik diese Werte direkt ohne die Notwendigkeit von Nachschlagtabellen berechnet werden.
Wenn die Gleichstrom-Versorgungsspannung, die der Inverterbrücke der 9 zugeführt wird, deutlich variiert, führt dies zu einer Änderung des Motorstroms zu irgendeinem gegebenen Kommutationszeitpunkt, was zulässig sein sollte. Es kann für eine maximale Genauigkeit wünschenswert sein, dass der Mikroprozessor dies erfasst und entsprechend kompensiert.
Es wird angenommen, dass die Verwendung der vorliegenden Erfindung in einem Kühlschrank die Form, die Größe und das Gewicht des Motors im Vergleich zur herkömmlichen Entwürfen reduziert. Da ferner die Masse der bewegten Teile geringer ist als bei einem herkömmlichen Kühlschrankkompressor, werden:

– der Pegel der Schwingungen reduziert,
– der Geräuschpegel reduziert, und
– die Arbeitsbeanspruchungen auf die bewegten Teile reduziert.

Claims

Elektrischer Linearmotor zum Antreiben einer hin und her beweglichen Last, umfassend: einen Stator (5, 6), der einen magnetisch durchlässigen Kern mit einem Luftspalt (33) aufweist und so geformt ist, dass er Regionen mit im Wesentlichen räumlich gleichmäßiger und räumlich ungleichmäßiger magnetischer Flussdichte bereitstellt; einen Anker (22), der eine Struktur aufweist, die einen Permanentmagneten (3, 4) unterstützt, von dem ein wesentlicher Abschnitt im Luftspalt (33) angeordnet ist; Erregungsmittel (1, 2) zum Erzeugen eines wechselnden magnetischen Flusses im Stator (5, 6), der mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten (3, 4) wechselwirkt, um eine Pendelkraft am Anker (22) zu erzeugen, wobei der Anker im Gebrauch mit der Last verbunden ist und sich bezüglich des Stators hin und her bewegt; dadurch gekennzeichnet, dass bei großen Hüben ein Ende des Permanentmagneten (3, 4) von einem Bereich mit im Wesentlichen räumlich gleichmäßiger Flussdichte zu einem Bereich mit räumlich ungleichmäßiger Flussdichte gelangt, während bei geringen Hüben das Ende des Permanentmagneten in einem Bereich mit im Wesentlichen gleichmäßiger Flussdichte bleibt.
Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei das Erregungsmittel (1, 2) wenigstens eine Spule, die um einen Abschnitt des Stators (3, 4) gewickelt ist, sowie eine Kommutationsschaltung umfasst, die eine Gleichstromversorgung, Schaltvorrichtungen (404), die mit der Stromversorgung verbunden sind, um der wenigstens einen Spule (1, 2) Strom zuzuführen, und einen programmierten Digitalprozessor (403) enthält, der einen Speicher und Eingabe/Ausgabe-Anschlüsse enthält, wobei wenigstens einer der Anschlüsse mit der Kommutationsschaltung verbunden ist, um dieser Schaltsteuersignale zuzuführen.
Elektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, wobei die Verschiebung des wenigstens einen Permanentmagneten (3, 4), bei dem das wenigstens eine Ende des Magneten aus dem Bereich mit im Wesentlichen räumlich gleichmäßiger Flussdichte gelangt, gleich 67 % der maximalen Verschiebung beträgt.
Kühlschrank, der einen Kompressor und einen Kompressormotor verwendet, wobei der Kompressor und der Kompressormotor Linearvorrichtungen sind und der Motor umfasst: einen Stator (5, 6), der einen magnetisch durchlässigen Kern mit einem Luftspalt (33) aufweist und so geformt ist, dass er Regionen mit im Wesentlichen räumlich gleichmäßiger und räumlich ungleichmäßiger magnetischer Flussdichte bereitstellt; einen Anker (22), der eine Struktur aufweist, die einen Permanentmagneten (3, 4) unterstützt, von dem ein wesentlicher Abschnitt im Luftspalt (33) angeordnet ist; Erregungsmittel (1, 2) zum Erzeugen eines wechselnden magnetischen Flusses im Stator (5, 6), der mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten (3, 4) wechselwirkt, um eine Pendelkraft am Anker (22) zu erzeugen, wobei der Anker im Gebrauch mit der Last verbunden ist und sich bezüglich des Stators hin und her bewegt; dadurch gekennzeichnet, dass bei großen Hüben ein Ende des Permanentmagneten von einem Bereich mit im Wesentlichen räumlich gleichmäßiger Flussdichte zu einem Bereich mit räumlich ungleichmäßiger Flussdichte gelangt, während bei geringen Hüben das Ende des Permanentmagneten in einem Bereich mit im Wesentlichen gleichmäßiger Flussdichte bleibt.